集成固相焊接方法在液冷板制造中的應(yīng)用*

方 坤，朱 勇，宋奎晶，張志勇，雷黨剛

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 南通振華重型裝備制造有限公司， 江蘇 南通 226017； 3. 合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥 230009)

引 言

隨著雷達(dá)不斷向高功率、大型化方向發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)中功放組件的組裝密度越來(lái)越高，發(fā)熱量也越來(lái)越大[1-2]。傳統(tǒng)液冷板是采用機(jī)械加工的方式在組件盒體上成型彎曲流道，并采用攪拌摩擦焊焊接蓋板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種液冷板中冷卻液與液冷板的接觸傳熱面積受限，已經(jīng)難以滿足雷達(dá)系統(tǒng)的散熱需求[3]。采用翅片式液冷板能夠大大增加傳熱面積，具有散熱效率高、溫度梯度小、熱分布均勻和結(jié)構(gòu)緊湊等顯著優(yōu)點(diǎn)[4-5]，是目前固態(tài)功放組件冷卻的一種重要方式。

傳統(tǒng)液冷板主要采用真空釬焊實(shí)現(xiàn)封焊[6]。釬焊焊縫強(qiáng)度低，容易在流道內(nèi)殘留釬料，形成多余物。翅片式液冷板采用攪拌摩擦焊只能實(shí)現(xiàn)密封，無(wú)法解決大寬度流道在液壓下的變形問(wèn)題；而采用擴(kuò)散焊能夠?qū)崿F(xiàn)翅片焊接，解決結(jié)構(gòu)剛度問(wèn)題，但對(duì)于薄壁流道，僅采用擴(kuò)散焊容易在密封處發(fā)生微漏。因此，文中采用2種固相焊接方法集成的思路，解決翅片式大寬度流道液冷板的可靠焊接問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)分析

翅片式液冷板由翅片式殼體和封蓋板組成。工藝路徑為：先通過(guò)擴(kuò)散焊實(shí)現(xiàn)封蓋板下表面與翅片的焊接，保證大寬度流道的結(jié)構(gòu)剛性，然后通過(guò)攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)封蓋板側(cè)邊與殼體的焊接，保證流道的密封性能。

為了明確集成固相焊接結(jié)構(gòu)的工藝性設(shè)計(jì)要求，打通集成焊接的工藝路徑，通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)，確定了典型結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求，如圖1所示。

圖1 翅片式液冷板的特征尺寸

擴(kuò)散焊主要用于實(shí)現(xiàn)翅片的可靠焊接。對(duì)擴(kuò)散焊有影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括蓋板厚度H、蓋板盒體高度差h、翅片臺(tái)階高度差n和蓋板側(cè)隙δ。

(1)蓋板厚度。一方面，液冷板流道內(nèi)冷卻液一般存在一定的壓力，因此需要蓋板具有一定的厚度來(lái)保證結(jié)構(gòu)剛性；另一方面，由于蓋板越薄，對(duì)貼合在蓋板表面的器件的散熱效果就越好，因此蓋板厚度尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下盡量取小。

(2)蓋板盒體高度差。擴(kuò)散焊要求蓋板表面高于盒體表面，以便于施加擴(kuò)散焊壓力。擴(kuò)散焊下壓量為0.3～0.5 mm，因此蓋板盒體高度差h≥0.3 mm。

(3)翅片臺(tái)階高度差。為了保證翅片與蓋板的良好焊接，防止在下壓過(guò)程中蓋板四周的臺(tái)階限制翅片與蓋板的接觸，要求翅片高度大于臺(tái)階高度。同時(shí)，為了防止蓋板在擴(kuò)散焊后無(wú)法緊密接觸，要求翅片臺(tái)階高度差為(0.1 ± 0.05)mm。

(4)蓋板側(cè)隙。蓋板與盒體間通常采用間隙配合，若蓋板側(cè)隙太小，蓋板在下壓過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)接觸到的盒體邊緣發(fā)生變形，影響后續(xù)攪拌摩擦焊，要求蓋板側(cè)隙δ≥0.1 mm。

攪拌摩擦焊主要用于實(shí)現(xiàn)封蓋板的密封。對(duì)攪拌摩擦焊有影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括蓋板厚度、蓋板盒體高度差、蓋板側(cè)隙、臺(tái)階寬度b和盒體邊緣寬度B。

根據(jù)前期研究結(jié)果[3]，要求蓋板盒體高度差h≤0.1 mm，臺(tái)階寬度b等于蓋板厚度H，蓋板側(cè)隙δ≤0.1 mm。

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，特別是窄軸肩攪拌頭的應(yīng)用成熟度的提升，目前臺(tái)階寬度b≥75%H，控制蓋板側(cè)隙δ≤0.2 mm即可。對(duì)于盒體邊緣寬度，考慮到攪拌針長(zhǎng)度和軸肩直徑比約為1∶3，而盒體邊緣寬度一般要大于軸肩半徑，因此要求盒體邊緣寬度B≥3H/2。

綜合上述2種固相焊接方法的要求，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)蓋板盒體高度差的要求不統(tǒng)一。因此為了保證擴(kuò)散焊后，攪拌摩擦焊前蓋板盒體高度差滿足攪拌摩擦焊的需求，該值需要根據(jù)擴(kuò)散焊工藝的下壓量來(lái)設(shè)計(jì)。當(dāng)下壓量為0.3 mm時(shí)，蓋板盒體高度差應(yīng)該控制在0.3～0.4 mm。根據(jù)上述討論，集成固相焊接方法對(duì)液冷板結(jié)構(gòu)尺寸的要求見(jiàn)表1。

表1翅片式液冷板尺寸要求mm

名稱尺寸蓋板盒體高度差h[0.3,0.4]臺(tái)階寬度b≥75%H蓋板側(cè)隙δ[0.1,0.2]盒體邊緣寬度B≥3H/2翅片臺(tái)階高度差n0.1±0.05

2 液冷板焊接過(guò)程控制

2.1 液冷板制造工藝流程

采用集成固相焊接方法制造液冷板的詳細(xì)工藝流程如圖2所示，在實(shí)施過(guò)程中必須嚴(yán)格執(zhí)行。需要重點(diǎn)控制擴(kuò)散焊和攪拌摩擦焊的中間過(guò)程，擴(kuò)散焊出爐溫度需低于80 ℃，同時(shí)零件出爐后應(yīng)立刻進(jìn)行攪拌摩擦焊，以防止零件形成較多的氧化膜。中間過(guò)程應(yīng)嚴(yán)防攪拌摩擦焊縫被污染，擴(kuò)散焊后無(wú)需任何中間過(guò)程即可進(jìn)行攪拌摩擦焊。

圖2 工藝流程圖

2.2 擴(kuò)散焊工藝控制

擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為擴(kuò)散焊溫度530 ℃，保溫時(shí)間1.5 h，壓力2.5 MPa，真空度1.33 × 10-5～1.33 × 10-4Pa。出爐溫度低于80 ℃。金相照片顯示，擴(kuò)散焊縫結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋及未焊合等缺陷。對(duì)擴(kuò)散焊接頭的拉伸性能進(jìn)行的測(cè)試顯示，接頭均斷裂于界面處，平均強(qiáng)度為92.4 MPa，可見(jiàn)擴(kuò)散焊接頭的強(qiáng)度也與母材相當(dāng)。

圖3為搭接界面處的微觀組織，在200倍金相照片下很難看到原始界面，而在1 000倍金相照片下，可見(jiàn)斷續(xù)分布的夾雜物。該夾雜物為界面上的氧化膜，其尺寸達(dá)到亞微米級(jí)，對(duì)接頭性能影響較小。從接頭微觀組織來(lái)看，擴(kuò)散效果較好，接頭無(wú)未焊合缺陷。

圖3 界面處的微觀組織

2.3 攪拌摩擦焊工藝控制

攪拌摩擦焊攪拌頭的軸肩直徑為15 mm，攪拌針長(zhǎng)6.7 mm。焊接速度為150 mm/min，轉(zhuǎn)彎速度為80 mm/min，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，壓入量為0.2 mm。焊縫橫截面形貌如圖4所示，焊接成型良好。對(duì)對(duì)接部分的拉伸性能進(jìn)行的測(cè)試顯示，接頭均斷裂于熱影響區(qū)，平均強(qiáng)度為96.3 MPa，其中母材強(qiáng)度為93～100 MPa?？梢?jiàn)退火態(tài)的6063鋁合金經(jīng)攪拌摩擦焊后，接頭強(qiáng)度也與母材相當(dāng)。

圖4 攪拌摩擦焊焊縫橫截面形貌

2.4 焊縫質(zhì)量檢查

流道的焊接質(zhì)量決定了冷卻液通道的強(qiáng)度和密封性等重要性能。為了保證焊縫質(zhì)量，焊后必須對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查。本文分別對(duì)零件進(jìn)行了外觀檢查、超聲波探傷和充氣檢漏。外觀檢測(cè)結(jié)果表明，攪拌摩擦焊焊接后焊縫外觀無(wú)飛邊、溝槽等缺陷；超聲波檢測(cè)結(jié)果表明，攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部和擴(kuò)散焊焊縫的質(zhì)量均達(dá)到了I級(jí)焊縫要求；在對(duì)液冷板進(jìn)行精密加工后，采用1.5 MPa充氣壓力對(duì)零件進(jìn)行了密封性檢查，保壓15 min。結(jié)果表明，液冷板無(wú)滲漏，密封性良好，同時(shí)蓋板無(wú)任何變形，剛性好。

3 服役液壓條件下殼體變形仿真

對(duì)比僅實(shí)施攪拌摩擦焊和采用集成固相焊制造的液冷板在服役壓力下的殼體變形情況，分析集成固相焊接的結(jié)構(gòu)可靠性。仿真過(guò)程采用有限元軟件MSC.Marc，邊界條件施加服役壓力，考慮最大值1.5 MPa。仿真模型如圖5所示，其中蓋板在最終的精加工結(jié)構(gòu)中厚度為2 mm。

圖5 仿真模型

圖6給出了僅實(shí)施攪拌摩擦焊的翅片式液冷板在1.5 MPa內(nèi)壓下的變形情況。從圖6可知，由于翅片和蓋板未焊接上，在內(nèi)壓條件下，翅片和蓋板分離，蓋板鼓起，最大變形位于流道中心的蓋板上，最大變形量為3 mm，嚴(yán)重超出了產(chǎn)品要求。

圖6 攪拌摩擦焊接的翅片式液冷板變形情況

圖7給出了實(shí)施集成固相焊接的翅片式液冷板在1.5 MPa內(nèi)壓下的變形情況。從圖7可知，由于翅片和蓋板焊接良好，在內(nèi)壓條件下，翅片提高了蓋板剛性，整個(gè)結(jié)構(gòu)基本無(wú)變形，最大變形量為0.015 mm，滿足產(chǎn)品要求。

圖7 集成固相焊接的翅片式冷液板變形情況

4 結(jié)束語(yǔ)

集成固相焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)翅片式大寬度流道液

冷板的可靠焊接。超聲波探傷結(jié)果表明，焊縫合格；精密加工后，充氣檢漏結(jié)果表明，流道100%無(wú)滲漏，無(wú)變形。功放組件已完成精密加工和電子裝聯(lián)，各項(xiàng)熱控電測(cè)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。目前，采用集成固相焊接方法制造的功放組件已成功應(yīng)用于某雷達(dá)產(chǎn)品。

[1] 王從思, 宋正梅, 康明魁, 等. 微通道冷板在有源相控陣天線上的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(7): 1-4, 13.

[2] 翁夏. 微/小通道冷板在某型相控陣天線上的對(duì)比分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2014, 30(5): 16-17.

[3] 許業(yè)林, 江海東, 雷黨剛. 攪拌摩擦焊在液冷流道制造中的應(yīng)用[J]. 電子工藝技術(shù), 2012(5): 285-288.

[4] 王萌, 徐曉婷. 高密度密封電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 電子工藝技術(shù), 2006, 27(6): 339-342.

[5] 葛洋, 姜未汀. 微通道換熱器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 化工進(jìn)展, 2016, 35(1): 10-15.

[6] 趙仁祥. 高效散熱微通道液冷冷板焊接技術(shù)及成形工藝研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(4): 33-36.